Penelitian ini bertujuan untuk meningkatkan kemampuan berpikir tingkat tinggi peserta didik melalui penerapan model PBL pada materi pencemaran lingkungan di kelas X MIA 3 SMA Negeri 2 Sukoharjo tahun pelajaran 2015/2016. Penelitian ini merupakan penelitian tindakan kelas menggunakan prosedur penelitian Kemmis dan Mc. Taggart (2005) yang ilaksanakan dalam 2 siklus, dari bulan April hingga Mei 2016. Setiap siklus terdiri dari 4 tahap, yaitu perencanaan, pelaksanaan tindakan, observasi, dan refleksi. Subjek penelitian adalah peserta didik kelas X MIA 3 SMA Negeri 2 Sukoharjo tahun ajaran 2015/2016 yang berjumlah 31 peserta didik (18 peserta didik perempuan dan 13 peserta didik laki-laki). Data penelitian diperoleh melalui tes essay tentang kemampuan berpikir tingkat tinggi, wawancara, lembar observasi keterlaksanaan sintaks PBL, lembar observasi aspek afektif dan psikomotorik peserta didik. Tes essay kemampuan berpikir tingkat tinggi mencakup indikator yaitu menganalisis (C4), mengevaluasi (C5), dan mencipta (C6) berdasarkan taksonomi Bloom terevisi. Analisis data mengunakan teknik analisis deskriptif. Validasi data menggunakan teknik triangulasi. Target penelitian yaitu peningkatan kemampuan berpikir tingkat tinggi peserta didik pada setiap aspek sebesar